Физико-технические основы создания вакуумных электрических аппаратов для коммутации импульсных и постоянных токов (19.07.2010)

Автор: Алфёров Дмитрий Фёдорович

- разработка научных основ повышения предельных параметров РВУ путем совершенствования конструкции электродной системы и оптимизации параметров инициирующего разряда для различных режимов работы.

Другой задачей, на решение которой направлена настоящая работа, является определение условий, обеспечивающих отключение постоянного тока в поперечном магнитном поле. Для выполнения этой задачи, работа велась по следующим основным направлениям:

- выбор и обоснование конструкции контактной системы ВДК с внешним поперечным магнитным полем;

- экспериментальное и теоретическое исследование условий нарушения устойчивости и гашения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле в зависимости от индукции магнитного поля, геометрии вакуумного промежутка и параметров внешней цепи;

- разработка научных основ создания вакуумных коммутационных аппаратов постоянного тока для требуемых режимов коммутации.

Объект и предметы исследований. Объектом исследований являлся сильноточный разряд в вакуумных промежутках различной конфигурации, который обладает рядом специфических свойств, отличающих его от других форм газового разряда. Характер развития вакуумного дугового разряда существенно зависит от режима горения дуги, геометрии электродной системы вакуумного промежутка и распределения магнитного поля как собственного, так и внешнего.

В качестве предметов исследований использовались макетные образцы электродной системы РВУ различной конфигурации и макетные образцы ВДК. В межконтактном промежутке последних формировалось аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на высоковольтных сильноточных стендах отдела 0200 ФГУП ВЭИ, оснащенных современной системой управления и диагностики, обеспечивающей одновременную регистрацию электрических характеристик разряда, импульсов зондового тока и излучения плазмы. Результаты измерений обрабатывались и оформлялись с помощью программ WaveStar и ORIGIN. Теоретические исследования проводились путем разработки феноменологических и физических моделей. При решении поставленных задач использовались методы статистической обработки экспериментальных данных, методы матема-тического анализа, методы теории электрических цепей и методы численного решения уравнений на ЭВМ.

Научная новизна.

1. Предложена и апробирована оригинальная методика времяпролетных измерений скорости ионов с помощью плоского ленгмюровского зонда. Методика позволяет определить среднюю и направленную скорость ионного потока по измеренной зависимости зондового тока во времени.

2. В дуговой стадии импульсного разряда при скорости нарастания тока di/dt > 2·109 А/с и длине вакуумного промежутка d ~ 10 мм обнаружено формирование устойчивого цилиндрического разрядного канала. Показано, что с увеличением di/dt > 1010 А/с происходит нарушение устойчивости развития сильноточного вакуумного дугового разряда, сопровождающееся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока. На этой стадии обнаружено существенное изменение свечения плазмы и образование разрывов в разрядном канале. Впервые установлено наличие временной корреляции между изменениями электрических параметров разряда и динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах. Полученные результаты позволили определить требования к параметрам инициирующего разряда и длине вакуумного промежутка, обеспечивающие устойчивое развитие сильноточного разряда при высокой скорости нарастания тока и, следовательно, минимальные энергетические потери, что важно для повышения ресурса узла поджига РВУ.

, где постоянная G определяется материалом электродов и состоянием поверхности катода. Предложена и экспериментально апробирована методика расчета коммутационных характеристик РВУ с отделенным от катода вспомогательным импульсным источником плазмы. Методика позволяет оптимизировать параметры вспомогательного источника. Полученные результаты способствовали разработке новых способов инициации разряда с целью повышения ресурса РВУ.

4. В результате экспериментального исследования инициации и развития импульсного сильноточного вакуумного разряда в стержневой электродной системе обнаружено явление быстрого перехода разряда от узла поджига в межстержневые промежутки. Найдено пороговое значение тока перехода iK = 5 – 9 кА, которое практически не зависит от скорости нарастания тока. Установлена корреляция между моментом появления резкого спада напряжения на вакуумной дуге и моментом образования нового разрядного канала в межстержневом промежутке. Предложена феноменологическая модель развития сильноточного дугового разряда в нестационарном пространственно-неоднородном скрещенном электромагнитном поле стержневой электродной системы. Полученные результаты позволили определить требования к конструкции стержневой электродной системы, обеспечивающие высокую коммутационную способность РВУ.

5. Предложена оригинальная конструкция ВДК, в межконтактном промежутке которой формируется аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле. Обнаружены и исследованы две характерные стадии развития дуги отключения, присущие практически всем вакуумным промежуткам с аксиально-симметричным магнитным полем: устойчивая и неустойчивая, которая характеризуется значительными осцилляциями напряжения и тока. Обнаружено, что в момент перехода из устойчивой стадии дуги в неустойчивую дуговой канал в межконтактном промежутке погасает.

6. Впервые определено распределение длительности устойчивой стадии дуги и тока отключения в вакуумном промежутке с поперечным магнитным полем при различных значениях индукции магнитного поля и параметрах внешней цепи. Установлено, что в магнитном поле экспериментальные распределения продолжительности устойчивой стадии дуги и отключаемого тока до 300 А удовлетворительно описываются двухпараметрическим вейбулловским законом с параметром формы b > 1, т.е. отличаются от экспоненциального распределения, присущего вакуумным промежуткам без внешнего магнитного поля. Из этих результатов следует, что наложение аксиально-симметричного магнитного поля изменяет статистические свойства вакуумной дуги отключения.

7. Впервые экспериментально определено и теоретически обосновано существование критической плотности тока jin, ниже которой происходит нарушение устойчивого горения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле и найдены зависимости jin от длины межконтактного промежутка и индукции магнитного поля. Найдены условия нарушения устойчивости дуги в случае разведения контактов ВДК с магнитным полем при растущем во времени токе. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нарушение устойчивости будет происходить, если скорость роста критического тока diin(z)/dt, определяемая скоростью хода dz/dt контактов ВДК, превысит скорость нарастания тока внешней цепи.

8. Предложена математическая модель развития нестационарного слоя отрицательного объемного заряда в прианодной области вакуумного промежутка при нарушении устойчивого горения дуги, в которой размер слоя растет с постоянным ускорением ad. Развитая модель динамики анодного слоя позволила оценить температуру поверхности анода на завершающей стадии гашения вакуумной дуги в поперечном магнитном поле. Определены возможные механизмы отказа отключения тока в ВДК с поперечным магнитным полем.

Практическая ценность работы

Выполненный цикл теоретических и экспериментальных исследований способствовал углубленному пониманию физических процессов, определяющих динамику проводимости сильноточного инициируемого импульсного электрического разряда в вакуумных промежутках различной конфигурации и нарушение устойчивости вакуумной дуги постоянного тока в поперечном магнитном поле. Практическая ценность результатов исследований заключается в следующем:

- показано, что для обеспечения минимальных энергетических потерь в начальной стадии развития вакуумного разряда и надежности включения РВУ скорость нарастания тока инициирующего разряда должна быть сравнима со скоростью нарастания тока основного разряда, а его длительность должна превышать время пролета ионами вакуумного промежутка;

- предложена схема РВУ со вспомогательным источником инициирующего разряда и разработана методика определения условий включения и расчета его коммутационных характеристик;

- определены способы совершенствования конструкции существующих типов РВУ;

- разработана оригинальная конструкция ВДК, в межконтактном промежутке которой формируется аксиально-симметричное преимущественно радиальное магнитное поле;

- определены условия успешного отключения постоянного тока в ВДК с внешним магнитным полем: должно произойти нарушение устойчивости дуги и вакуумный промежуток должен выдерживать восстанавливающееся на нем напряжение.

- предложена методика оценки индукции магнитного поля и длины межконтактного промежутка ВДК, при которых происходит отключение постоянного тока;

- определены возможные причины отказа отключения тока в ВДК с поперечным магнитным полем и разработаны требования к конструкции вакуумных коммутационных аппаратов постоянного тока.

Результаты исследований использовались при проектировании новых типов сильноточных РВУ, способных многократно (104 - 105) коммутировать импульсные токи до 500 кА с величиной передаваемого заряда до сотен кулон, которые по своим характеристикам превосходят известные мировые аналоги, и при разработке ВДК с аксиально-симметричным поперечным магнитным полем. На основе этой камеры разработан и успешно прошел сертификационные испытания вакуумный контактор постоянного тока КВО-3-25 на напряжение до 4 кВ. На предприятиях ОАО «НПП «КОНТАКТ»», г. Саратов, и ООО «Вакуумные технологии», г. Рязань, освоено мелкосерийное производство новых типов РВУ и вакуумных контакторов.

Достоверность результатов

Достоверность результатов исследований, изложенных в работе, обеспечивается корректностью постановки задачи теоретических и экспериментальных исследований, использованием современных методов регистрации электрических сигналов и излучения плазмы, точностью измерений, и подтверждается сравнением результатов экспериментальных исследований с аналитическим расчетом и численным моделированием, а также эксплуатационной надежностью внедренных аппаратов, подтвержденных многолетним опытом их применения.

Основные положения, выдвигаемые на защиту

В результате исследований инициации и развития сильноточного дугового разряда при высокой скорости нарастания тока

- экспериментально найдены условия существования устойчивого цилиндрического разрядного канала в дуговой стадии разряда: 1 кА <Im < 3 кА, 2·109 А/с < (di/dt)m < 1010 А/с при d ~ 10 мм;

- экспериментально определенны условия нарушения устойчивости сильноточного вакуумного дугового разряда, сопровождающиеся значительными осцилляциями напряжения и немонотонностью роста тока: Im > 3 кА, (di/dt)m > 1010 А/с при d ~ 10 мм;

- экспериментально установлено наличие корреляции между изменениями электрических параметров разряда, динамикой свечения плазмы разрядного канала и пятен на электродах;

- определены требования к параметрам инициирующего разряда, обеспечивающие минимальное время включения и повышение ресурса РВУ.

Экспериментально определены и теоретически обоснованы условия инициации разряда в вакуумном промежутке с помощью вспомогательного источника плазмы. Использование вспомогательного источника плазмы позволяет существенно повысить ресурс РВУ.

В результате исследований развития сильноточного вакуумного дугового разряда в стержневой электродной системе

- экспериментально обнаружено, что независимо от скорости изменения тока всегда существует пороговый ток ik = 5 - 9 кА, при достижении которого происходит переход сильноточной дуги от узла поджига в межстержневые промежутки;

- экспериментально установлена корреляция между моментом появления резкого спада напряжения на вакуумной дуге и моментом образования нового дугового канала в межстержневом промежутке, что позволило следить за развитием дугового разряда путем анализа осциллограмм тока и напряжения,

- предложена феноменологическая модель развития сильноточного разряда в нестационарном пространственно-неоднородном скрещенном электромагнитном поле.


загрузка...